Credito immagine: Rockefeller University
CRISPR-Cas9 è stato a lungo paragonato alle forbici genetiche, grazie alla sua capacità di tagliare qualsiasi sezione di DNA con elegante precisione.
Ma si scopre che i sistemi CRISPR hanno più di una strategia nel loro kit di strumenti. Un meccanismo originariamente scoperto nei batteri, dove ha funzionato come un sistema immunitario adattativo, alcuni organismi monocellulari utilizzano naturalmente CRISPR per proteggersi dai virus chiamati fagi e altri frammenti genetici estranei.
Ora, i ricercatori del Laboratorio di batteriologia del Rockefeller, diretto da Luciano Marraffini e del Laboratorio di biologia strutturale del MSKCC, diretto da Dinshaw Patel, hanno scoperto come un sistema CRISPR combatte gli invasori non solo con le forbici genetiche, ma agisce anche come una sorta di fumigatore molecolare.
In una recente pubblicazione su Cell, gli scienziati hanno scoperto che questo sistema, chiamato CRISPR-Cas10, inonda un batterio infetto da virus con molecole tossiche, impedendo così al virus di diffondersi nel resto della popolazione batterica.
“È un tipo di chimica CRISPR completamente nuovo”, afferma il co-primo autore Christian Baca, uno studente laureato TPCB del laboratorio Marraffini. “È un’ulteriore prova che i sistemi CRISPR hanno a disposizione una serie di strategie immunitarie”.
Spegnimento cellulare
Esistono sei tipi di sistemi CRISPR (“clustered regularmente interspaced short palindromic repeats”); CRISPR-Cas9, ad esempio, è di tipo II, con l’enzima Cas9 che funziona come forbici del DNA. Per lo studio attuale, i ricercatori hanno esaminato un sistema di tipo III chiamato CRISPR-Cas10.
In entrambi i sistemi, gli RNA guida identificano il materiale genetico problematico e gli enzimi iniziano a tagliare. Tuttavia, il complesso CRISPR-Cas10 produce anche una scarica di piccole molecole di secondo messaggero chiamate oligoadenilati ciclici (cOA), che aiutano a bloccare l’attività cellulare, impedendo così al virus di diffondersi. Questa seconda linea di attacco è simile alla fumigazione di una stanza infestata da parassiti e poi alla rapida chiusura della porta per contenere l’infestazione in modo che non possa diffondersi al resto della casa.
“Questa risposta in due parti è in gran parte una questione di tempistiche”, afferma Baca. “Cas10 da solo può eliminare un fago o un plasmide da una cellula, a patto che la trascrizione bersaglio riconosciuta dall’RNA guida venga prodotta all’inizio dell’infezione virale. Ma se il frammento problematico è qualcosa che viene prodotto solo in una fase successiva dell’infezione, queste molecole di cOA sono essenziali per la difesa“, afferma. “In questo modo, i sistemi CRISPR di tipo III funzionano in modo simile ai percorsi di immunità innata dei mammiferi, come cGAS-STING, che producono nucleotidi ciclici per attivare una risposta dell’ospite“, aggiunge Marraffini.
Sebbene tutto questo fosse già noto, non si conosceva la dinamica molecolare alla base del modo esatto in cui una nuova proteina CRISPR di tipo III, l’adenosina deaminasi 1 associata a CRISPR (Cad1), riesce a spegnere la cellula.
Una colonna tossica
Per scoprirlo, i ricercatori hanno condotto un’analisi molecolare e strutturale dettagliata di Cad1, utilizzando la crio-EM e altri approcci avanzati per rivelare strutture e dinamiche insolite che spiegano come il sistema sospenda l’attività cellulare.
Nel sistema CRISPR-Cas10, Cad1 viene allertato della presenza di un virus dal legame dei cOA a una parte della proteina chiamata dominio CARF. Ciò a sua volta stimola Cad1 a convertire l’ATP (la valuta energetica della cellula) in ITP (un nucleotide intermedio che di solito è presente nella cellula in piccole quantità), che poi inonda la cellula. L’ITP diventa tossico per le cellule in dosi elevate, quindi, di conseguenza, l’attività cellulare si arresta, mettendo la cellula in uno stato dormiente.
“La cellula infetta viene sacrificata quando il virus viene sequestrato al suo interno, ma la popolazione batterica più ampia viene protetta”, afferma il co-primo autore Puja Majumder, ricercatore post-dottorato presso il Patel Lab. Il motivo per cui ha questo impatto non è chiaro. Una teoria è che l’ITP in eccesso compete per i siti di legame tipicamente occupati da ATP o GTP in proteine che sono fondamentali per la normale funzione cellulare; un’altra è che alti livelli di ITP interferiscono con la replicazione del DNA fagico.
Leggi anche:L editing genetico con CRISPR potrebbe introdurre nuovi difetti
“Ma non sappiamo ancora esattamente il perché”, afferma Majumder.
“Una potenziale applicazione della loro scoperta è come strumento diagnostico per le infezioni”, nota Baca. “La presenza di ITP indicherebbe che una trascrizione del patogeno è presente in un campione”.
Fonte: Rockefeller University
